裂解炉一次注汽管线焊缝裂纹原因分析及改造

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(中国石油 独山子石化分公司 乙烯厂， 新疆 独山子 833699)

独山子石化分公司百万吨乙烯装置8台裂解炉(10-F-0101～0801)采用德国LINDE技术，炉型为PyroCrack1-1，加工原料为石脑油、轻烃及加氢尾油，裂解工艺为炉管注入稀释蒸汽(DS)，单台炉加工能力15万t/a。正常情况下,7台裂解炉进料运行，1台裂解炉烧焦后备用(根据裂解炉结焦情况，8台裂解炉轮流切出烧焦)。辐射段设计为双辐射室，辐射炉管垂直布置，入口炉管和出口炉管与长U形管连接，通过增加机械灵活性消除运行中产生的应力。炉管对流段采用模块分层布置，有效回收裂解烟气热量，提高热效率。裂解炉属于高温设备(最高温度1 100 ℃)，不同部位温度不同，呈梯度递增，故选择了不同等级高温钢材质，如SA312 TP321H、 SA335 P91、SA335 P11、G-X10NiCrNb32-20、G-X40NiCrSiNb35-25、G-X45NiCrSiNb45-35等。

1 6#～8#裂解炉裂纹情况

6#～8#裂解炉为加氢尾油炉，设计进料加工量59 t/h,采用一次、二次冷热注汽工艺来保证预热原料在对流段内流型(环形)和预热原料在对流段完全汽化。2009-09-17，百万吨乙烯装置开工，6#～8#裂解炉投料运行稳定。2011-03-01，在8#裂解炉正常运行期间，对流段一次注汽管线焊缝处发现裂纹，蒸汽泄漏，裂解炉按正常程序烧焦停炉。停炉降温后，发现冷、热注汽管线汇合处76.2 mm(3″)冷注汽管线与管台焊缝处存在环形贯穿性裂纹，见图1。

图1 8#裂解炉一次注汽管线裂纹图片

据车间记录显示，2011年～2014年，6#～8#裂解炉一次注汽管线焊缝共出现21次裂纹，均为贯穿性裂纹。其中，13次裂纹发生在76.2 mm(3″)管线与152.4 mm×76.2 mm(6″×3″)管台相接处，长度20～130 mm；另外8次出现的裂纹部位为152.4 mm(6″)管线与152.4 mm×76.2 mm(6″×3″)管台相接处，长度150～220 mm，见图2～图5。

图2 现场一次注汽管线布置示图

图3 一次注汽管线152.4 mm×76.2 mm(6″×3″)管台腐蚀情况

图4 一次注汽76.2 mm(3″)管线焊缝裂纹

图5 一次注汽152.4 mm(6″)管线焊缝裂纹

2 裂纹产生原因分析[1-6]

2.1 管线温变幅度大

加氢尾油6#～8#裂解炉一次注汽混合器(10-M-0X05A-H～0X05A-H，X=6、7、8)的冷、热稀释蒸汽汇合点管线、管件所采用的材料均为高温钢A335 P11。

原冷稀释蒸汽侧管线设计温度330 ℃，热稀释蒸汽侧管线设计温度450 ℃，稀释蒸汽混合后管线设计温度470 ℃。在实际运行过程中，热稀释蒸汽会出现操作温度在500～526 ℃，极限温度达到过530 ℃的情况，导致一次注汽管线短时超温，焊缝处应力集中。

现场根据裂解炉设计数据进行了模拟核算，结果表明当裂解原料为加氢尾油时，一次注汽管线应力在允许范围内。

当原料为石脑油时，一次注汽为热注汽，此时冷注汽管线停蒸汽，冷、热注汽混合点(焊缝裂纹处)温度梯度由480 ℃变化至150 ℃，温差变化较大，注入点温差变化更大，易产生热疲劳裂纹。同时，当裂解原料发生变化时，一次注汽管线冷、热注汽需要切换，切换时间短，温变范围大，产生较大应力。在相对苛刻条件下通过SELAS模拟得到的应力计算结果见表1。

表1 裂解原料为石脑油时一次注汽管线裂纹点应力计算值 MPa

从表1可以看出，一次注汽管线焊缝处一次应力约为管道许用应力的7.66倍，一次注汽管线焊缝处二次应力接近管道许用应力。

2.2 管线高温位移

现场一次注汽管线运行时温度高，管线发生横向移位。76.2 mm(3″)冷注汽管线中的水平管线距离注汽混合点位置较近，长度为500 mm，管线柔性差，一次注汽管线中冷、热注汽切换时管线发生移位，应力得不到有效释放，在管台焊缝处集中导致裂纹产生。

2.3 管线弹簧支吊架失效

裂解炉运行期间，在裂解原料为石脑油和冷、热注汽切换的情况下，一次应力和二次应力明显超标，导致部分弹簧吊架偏移或失效。通过计算确认现场一次注汽管线部分弹簧支吊架选型不当，导致管系多处一次应力超标，弹簧支吊架被压死或脱空。一次注汽的冷、热注汽管线弹簧支吊架失效见图6～图8。

图6 一次注汽管线热注汽弹簧支架失效

图7 一次注汽管线冷注汽弹簧支架失效

图8 一次注汽管线热注汽弹簧吊架失效

3 解决措施[7-15]

3.1 优化工艺操作并延长冷热注汽切换时间

裂解炉一次注汽管线切料时，冷、热注汽切换时间短(15～20 min)、温差变化大(最大温变350 ℃)，导致汇合处管线应力瞬时集中，严重超标，管线焊缝处硬度大、柔性差产生裂纹。通过优化工艺操作方案，采取延长冷、热注汽切换时间大于1 h，切换过程中缓慢增减冷、热注汽用量，调整烧嘴燃料气用量等措施，解决了管线应力瞬时超标问题。

3.2 改变注汽管线走向和注汽汇合点连接形式

现场裂解炉一次注汽管线布置和温差变化易导致应力在152.4 mm×76.2 mm(6″×3″)管台焊缝处集中，管线及管台长度过短导致应力无法得到有效释放，需通过更改管线走向增加低温稀释蒸汽管与主管接点的柔性。将管台变更为长250 mm的过渡性短管件来分散应力，降低局部应力集中造成的损坏。

6#裂解炉对流段一次注汽管线走向改造效果见图9、图10，过渡性短管管件见图11。

图9 6#裂解炉对流段一次注汽管线(北侧0605E-H管线)走向改造效果

3.3 更换失效弹簧并增加弹簧支吊架

现场一次注汽管线弹簧支吊架载荷分布不均匀，部分弹簧过载失效，部分弹簧脱空，经设计院计

图10 6#裂解炉对流段一次注汽管线(南侧0605A-D管线)走向改造效果

图11 过渡性短管管件

算确认后需要将图12中的6个弹簧支吊架A1、A3、A5、A6、B1、B2更换成新弹簧，同时需要新增3个弹簧支吊架A2、A4、B3，保证现场管线载荷合理分配。新设计的一次注汽管线弹簧支吊架情况见图12。

3.4 优化焊接方案并增加热处理工序

裂解炉一次注汽管线原来的焊接工艺为，76.2 mm(3″)、152.4 mm(6″)A335 P11管子与152.4 mm×76.2 mm(6″×3″)管台处焊缝均采用Ø2.4 mm焊丝CHG-55B2氩弧焊打底，然后Ø3.2 mm 的R307填充、盖面，预热温度为150～200 ℃，控制层间温度小于350 ℃。

图12 新设计6#～8#裂解炉弹簧支吊架示图

由于一次注汽管线的壁厚小于13 mm,根据SH 3501-2011《石油化工有毒、可燃介质钢制管道工程施工及验收规范》[16]的要求，可以不做热处理。

本次改造对A335 P11材质， 不论是76.2 mm(3″)管、156.4 mm(6″)管还是过渡管件处的焊缝，在原焊接工艺的基础上，增加热处理内容：①所有管线焊接完成后立即进行250～300 ℃后期热处理，保温1 h。②所有管线焊缝均做700～750 ℃热处理、恒温2 h，热处理后焊缝硬度应大于225HB[17]。

4 结语

2015-04-23,对6#～8#裂解炉对流段一次注汽管线依据优化方案进行施工改造，2015-05-25完成改造，改造完成后延长冷、热注汽切换时间。2015年、2016年、2017年委托设备检验所分别对6#～8#裂解炉对流段一次注汽管线焊缝进行检测，检测结果均合格，未发现裂纹,由此验证了此次改造方案的正确性及可实施性。

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